JP2021012093A - タイヤ接地状態観測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水に濡れた路面におけるタイヤの接地状態を正確に観測する。【解決手段】タイヤ接地状態観測装置は、水膜が形成された転動面上を転動するタイヤの接地状態を観測するためのタイヤ接地状態観測装置であって、前記転動面と、光が入射する入射面と、光が出射する出射面とを有するプリズムと、前記入射面に対して平行光を照射するコリメート光源と、前記出射面から出射する光を受け、画像を出力するカメラと、前記カメラによって出力される前記画像を処理する画像処理装置と、を備え、前記画像処理装置は、前記画像において、前記タイヤが前記転動面に接触する第1領域と、水が前記転動面に接触する第2領域と、空気が前記転動面に接触する第3領域とを判別する。【選択図】図1

Description

本発明は、タイヤ接地状態観測装置に関する。
特許文献1には、タイヤの下方部にプリズムを設け、該プリズムを通して光をタイヤ接地面に当て、その反射光を中央演算処理装置によって処理し、タイヤの接地状態を計測する装置が開示されている。特許文献1に開示されている装置において、光を発光する光源は面状に形成されると共に、タイヤ接地面から反射した面状の光をプリズムを介して受光するテレビカメラが配置され、該テレビカメラの画像を処理する中央演算処理装置がテレビカメラに接続されている。
特開平8−233558号公報
タイヤの接地状態を分析するにあたって、路面が水に濡れた状態におけるゴムの真実接触面積を解析したり、トレッドパターンの接地しない箇所において、水が存在する部分と空気が存在する部分とを判別したりすることは重要である。このため、水に濡れた路面におけるタイヤの接地状態を正確に観測できる装置の開発が望まれている。
本発明の一態様に係るタイヤ接地状態観測装置は、水膜が形成された転動面上を転動するタイヤの接地状態を観測するためのタイヤ接地状態観測装置であって、前記転動面と、光が入射する入射面と、光が出射する出射面とを有するプリズムと、前記入射面に対して平行光を照射するコリメート光源と、前記出射面から出射する光を受け、画像を出力するカメラと、前記カメラによって出力される前記画像を処理する画像処理装置と、を備え、前記画像処理装置は、前記画像において、前記タイヤが前記転動面に接触する第1領域と、水が前記転動面に接触する第2領域と、空気が前記転動面に接触する第3領域とを判別する。
本発明によれば、水に濡れた路面におけるタイヤの接地状態を正確に観測することができる。
実施形態に係るタイヤ接地状態観測装置の構成の一例を示す模式図である。 実施形態に係る画像処理装置の構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る画像処理装置の機能の一例を示す機能ブロック図である。 実施形態に係る画像処理装置による画像解析処理の手順を示すフローチャートである。 領域分割画像の一例を示す図である。 ガラス板越しにタイヤを撮像して得られた画像の一例を示す図である。 変形例に係るタイヤ接地状態観測装置の構成の一例を示す一部切り欠き正面図である。 変形例に係るタイヤ接地状態観測装置の構成の一例を示す一部切り欠き側面図である。
<本発明の実施形態の概要>
以下、本発明の実施形態の概要を列記して説明する。
(1) 本実施形態に係るタイヤ接地状態観測装置は、水膜が形成された転動面上を転動するタイヤの接地状態を観測するためのタイヤ接地状態観測装置であって、前記転動面と、光が入射する入射面と、光が出射する出射面とを有するプリズムと、前記入射面に対して平行光を照射するコリメート光源と、前記出射面から出射する光を受け、画像を出力するカメラと、前記カメラによって出力される前記画像を処理する画像処理装置と、を備え、前記画像処理装置は、前記画像において、前記タイヤが前記転動面に接触する第1領域と、水が前記転動面に接触する第2領域と、空気が前記転動面に接触する第3領域とを判別する。
上記構成により、画像における第1領域、第2領域、及び第3領域が判別されるため、タイヤの転動面に対する接地状態を正確に観測することができる。
(2) 本実施形態に係るタイヤ接地状態観測装置において、前記画像処理装置は、前記カメラによって出力される前記画像に基づく濃淡画像における各画素の輝度値に基づいて、前記第1領域、前記第2領域、及び前記第3領域を判別してもよい。
タイヤが接触する領域、水が接触する領域、及び空気が接触する領域のそれぞれにおいて、カメラの受光量が異なる。上記構成により、濃淡画像における輝度の分布に基づいて、第1領域、第2領域、及び第3領域を判別することができる。
(3) 本実施形態に係るタイヤ接地状態観測装置において、前記転動面における光の入射角が41°以上62°以下に設定されてもよい。
上記構成により、転動面における光の入射角が、光がプリズムから空気へ向かうときの全反射角より大きく、且つ、光がプリズムから水へ向かうときの全反射角より小さく設定される。したがって、転動面にタイヤが接触している箇所、転動面に水が接触している箇所、及び転動面に空気が接触している箇所のそれぞれにおける光の反射状態を異ならせることができ、第1領域、第2領域、及び第3領域を明確に判別することができる。
<本発明の実施形態の詳細>
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態の詳細を説明する。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
本開示において正規リムとは、タイヤが依拠する規格において定められたリムを意味する。JATMA規格における「標準リム」、TRA規格における「Design Rim」、及びETRTO規格における「Measuring Rim」は、正規リムである。
本開示において正規内圧とは、タイヤが依拠する規格において定められた内圧を意味する。JATMA規格における「最高空気圧」、TRA規格における「TIRE LOAD LIMITS AT VARIOUS COLD INFLATION PRESSURES」に掲載された「最大値」、及びETRTO規格における「INFLATION PRESSURE」は、正規内圧である。
本開示において正規荷重とは、タイヤが依拠する規格において定められた荷重を意味する。JATMA規格における「最大負荷能力」、TRA規格における「TIRE LOAD LIMITS AT VARIOUS COLD INFLATION PRESSURES」に掲載された「最大値」、及びETRTO規格における「LOAD CAPACITY」は、正規荷重である。
[タイヤ接地状態観測装置の全体構成]
図1は、本実施形態に係るタイヤ接地状態観測装置の構成の一例を示す模式図である。タイヤ接地状態観測装置10は、タイヤ接地状態観測試験に用いられる。タイヤ接地状態観測試験では、車両20が走行しているときのタイヤ21の接地面の状態が観測される。図1に示すように、タイヤ接地状態観測装置10は、プリズム100と、コリメート光源200と、カメラ300と、画像処理装置400とを含む。
プリズム100は、透明板110と、プリズム部120とを含む。透明板110及びプリズム部120のそれぞれは、例えばガラス製である。透明板110及びプリズム部120のそれぞれはガラスに限定されず、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の透明な合成樹脂であってもよい。透明板110の下面には、プリズム部120が緩衝材を介して接合される。緩衝材は、透明板110及びプリズム部120の屈折率に近い材料(例えば、シリコーンゴム)によって構成される。緩衝材は、透明板110とプリズム部120とを接合し、且つ、透明板110に荷重が与えられることにより生じる歪みを吸収し、透明板110とプリズム部120との接合を維持する。
透明板110は、上面がタイヤ21の転動面111である。透明板110は、車両20が走行したときに与えられる荷重に耐えられる厚さを有する。プリズム100は、路面30に設けられた穴に収容される。転動面111の高さは路面30の高さと揃えられる。タイヤ接地状態観測試験を実施する際には、転動面111には水膜が形成される。
プリズム部120は、側面視において倒立三角形をなしており、上面が透明板110の下面と緩衝材を介して接合されている。プリズム部120は2つの斜面、すなわち、入射面121と出射面122とを有している。入射面121に対向するように、コリメート光源200が配置される。出射面122に対向するように、カメラ300が配置される。
コリメート光源200は、平行光を照射することができる。コリメート光源200から照射された平行光は、入射面121からプリズム部120に入射する。入射した光はプリズム部120及び緩衝材を通過し、透明板110の転動面111に到達する。転動面111で反射した光は、透明板110、緩衝材、及びプリズム部120を通過し、出射面122から出射する。出射した光はカメラ300の受光面によって受けられる。
カメラ300は、例えばCCD(Charged-Coupled Devices)、CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)等のデジタル撮像素子を有する。カメラ300は、複数の画素を有し、各画素における受光量に応じた画像(以下、「カメラ画像」という)を生成する。カメラ画像は、例えばカラー多階調画像である。
カメラ300の出力端子には、信号ケーブルを介して画像処理装置400が接続される。カメラ300は、カメラ画像のデジタル信号を画像処理装置400へ出力する。
画像処理装置400は、入力されたカメラ画像を処理する。画像処理装置400は、画像処理により、カメラ画像において、タイヤ21が転動面111に接触する第1領域と、水が転動面111に接触する第2領域と、空気が転動面111に接触する第3領域とを判別する。
[転動面における光の入射角の設定]
タイヤ接地面観測試験が実施される場合、試験対象のタイヤ21が装着された車両20がプリズム100の転動面111上で停止した状態で、コリメート光源200とカメラ300の角度が調整される。この角度調整において、転動面111における光の入射角が、光がプリズム100から空気へ向かうときの全反射角より大きく、且つ、光がプリズム100から水へ向かうときの全反射角より小さくなるように、コリメート光源200及びカメラ300の角度が設定される。
上記の光の入射角は、スネルの法則にしたがい、下式(1)により算出される。
ただし、θは臨界角を示し、nはプリズム100と接触する物体の屈折率を示し、nprismはプリズムの屈折率を示す。
例えば、プリズム100がガラス製である場合、nprismは1.55である。空気の屈折率は1.00であり、水の屈折率は1.33であるため、具体的な転動面111における光の入射角の範囲は41°以上62°以下である。
このような入射角設定により、転動面111にタイヤ21が接触する箇所では光が反射せず(光の全てが透過し)、転動面111に水が接触する箇所では光の一部が反射し(光の一部が透過し)、転動面111に空気が接触する箇所では光が全反射する(光の全てが透過しない)。
[画像処理装置の構成]
図2は、本実施形態に係る画像処理装置400の構成の一例を示すブロック図である。具体的な一例では、画像処理装置400は、プロセッサ410と、非一過性メモリ420と、一過性メモリ430と、入出力インタフェース440と、表示部450とを備えるコンピュータである。
一過性メモリ430は、例えばSRAM(Static Random Access Memory)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)等の揮発性メモリである。非一過性メモリ420は、例えばフラッシュメモリ、ハードディスク、ROM(Read Only Memory)等の不揮発性メモリである。非一過性メモリ420には、コンピュータプログラムである画像処理プログラム411及び画像処理プログラム411の実行に使用されるデータが格納される。画像処理装置400は、コンピュータを備えて構成され、画像処理装置400の各機能は、前記コンピュータの記憶装置に記憶されたコンピュータプログラムである画像処理プログラム411がCPUであるプロセッサ410によって実行されることで発揮される。画像処理プログラム411は、フラッシュメモリ、ROM、CD−ROMなどの記録媒体に記憶させることができる。プロセッサ410は、画像処理プログラム411を実行することにより、後述するような画像解析処理を実行する。
なお、プロセッサ410は、CPUに限られない。プロセッサ410は、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、ゲートアレイ、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアロジック回路であってもよい。この場合、ハードウェアロジック回路は、画像処理プログラム411と同様の処理を実行可能に構成される。
入出力インタフェース440はカメラ300に接続される(図1参照)。画像処理装置400は、信号ケーブルを介してカメラ画像のデジタル信号をカメラ300から受信することができる。
表示部450は、例えば液晶パネルを含み、文字及び画像を表示することができる。
図3は、本実施形態に係る画像処理装置400の機能の一例を示す機能ブロック図である。画像処理装置400は、入力部401、画像変換部402、判別部403、及び出力部404としての機能を有する。
入力部401は、カメラ300から出力されるカメラ画像の入力を受け付ける。入力部401は、入出力インタフェース440によって実現される。
画像変換部402は、カラー多階調画像であるカメラ画像を、単色多階調画像である濃淡画像(グレースケール画像)に変換する。例えば、濃淡画像の画素数は、カメラ画像の画素数と同じである。
判別部403は、濃淡画像に対して解析処理を施す。判別部403は、濃淡画像において、タイヤ21が転動面111に接触する第1領域と、水が転動面111に接触する第2領域と、空気が転動面111に接触する第3領域とを判別する。
判別部403は、具体的な一例において、輝度に関する2つの閾値、すなわち第1閾値と第2閾値を用いる。第1閾値は、第1領域と第2領域とを判別するための閾値であり、第2閾値は、第2領域と第3領域とを判別するための閾値である。上記のように、転動面111とタイヤ21との接触箇所では光が反射しない。このため、第1領域の輝度値は低い、すなわち黒い。転動面111と水との接触箇所では光の一部が反射する。このため、第2領域の輝度値は中程度、すなわちグレーである。転動面111と空気との接触箇所では光が全反射する。このため、第2領域の輝度値は高い、すなわち白い。第1閾値は、低輝度、すなわち黒い画素を判別するために、輝度の下限値付近に設定される。第2閾値は、高輝度、すなわち白い画素を判別するために、輝度の上限値付近に設定される。
判別部403は、第1閾値及び第2閾値による領域分割処理を実行する。これにより、濃淡画像が、第1領域と、第2領域と、第3領域とに分割される。領域分割処理は、分割された各領域をラベリングするラベリング処理である。
画像変換部402及び判別部403は、プロセッサ410によって実現される。
出力部404は、領域分割後の画像(以下、「領域分割画像」という)を表示する。例えば、領域分割画像では、第1領域、第2領域、及び第3領域を区別するための情報が付与される。具体的な一例では、第1領域、第2領域、及び第3領域のそれぞれが色分けされたり、第1領域、第2領域、及び第3領域のそれぞれの付近に、いずれの領域であるかを示す文字情報が付されたりする。出力部404は、表示部450によって実現される。
[タイヤ接地状態観測試験]
以下、本実施形態に係るタイヤ接地状態観測装置10を用いたタイヤ接地状態観測試験について説明する。
タイヤ接地状態観測試験の準備工程では、車両20にタイヤ21が装着される。この準備工程では、まずタイヤ21がリムに組み込まれる。このリムは、正規リムである。JATMA規格における「許容リム」及びTRA規格又はETRTO規格における「Approved Rim」がリムとして用いられてもよい。正規リムに対応するように構成された試験用リムもこのリムとして用いることができる。
タイヤ21をリムに組み込むと、タイヤ21の内部に空気が充填される。これにより、タイヤ21の内圧が調整される。タイヤ21の内圧は、正規内圧の40%以上150%以下の範囲で設定される。内圧の調整後、タイヤ21は車両20に装着される。
転動面111に散水され、水膜が形成される。車両20が所定の車速で走行し、転動面111を通過する。
車両20が転動面111上を走行している間、コリメート光源200が平行光を照射する。転動面111における反射光が、プリズム100の出射面122から出射し、カメラ300によって受光される。カメラ300は撮像し、カメラ画像を生成する。コリメート光源200による発光強度、カメラ300のシャッタースピード及びフレームレートは予め設定される。
画像処理装置400は、画像解析処理を実行する。図4は、本実施形態に係る画像処理装置400による画像解析処理の手順を示すフローチャートである。
画像処理装置400は、カメラ画像の入力を受け付ける(ステップS101)。プロセッサ410は、カメラ画像から濃淡画像を生成する(ステップS102)。
プロセッサ410は、第1閾値及び第2閾値を用いて、濃淡画像に対する領域分割処理を実行する(ステップS103)。これにより、濃淡画像(カメラ画像)が第1領域、第2領域、及び第3領域に分割され、領域分割画像が生成される。
プロセッサ410は、領域分割画像を表示部450に表示させる(ステップS104)。以上で、画像解析処理が終了する。
図5は、領域分割画像の一例を示す図であり、図6は、ガラス板越しにタイヤを撮像して得られた画像の一例を示す図である。図6に示す画像では、転動面111におけるタイヤ21の接地箇所、転動面111における水の接触箇所、及び転動面111における空気の接触箇所が不明瞭である。特に、人間が水及び空気の接触箇所を識別することは困難である。
これに対して、図5に示される領域分割画像では、転動面111におけるタイヤ21の接地箇所である第1領域31、転動面111における水の接触箇所である第2領域32、及び転動面111における空気の接触箇所である第3領域33が明瞭に示される。領域分割画像を人間が確認することで、トレッドパターンにおける接地していない箇所を容易に把握することができる。トレッドパターンにおける接地していない箇所を特定することにより、トレッドパターンの形状の改善が可能となる。水の接触箇所と、空気の接触箇所とを判別することで、吸水材を混在させたトレッドゴム状の吸水材箇所に、水が存在しているか空気が存在しているかを把握することができる。例えば、第2領域32及び第3領域33それぞれの面積を算出することで、吸水材の効果を定量的に判断することができる。
[変形例]
車両20が転動面111上を走行するのではなく、装置によってタイヤ21の走行を再現し、タイヤ接地状態観測試験を実施してもよい。
図7及び図8は、本変形例に係るタイヤ接地状態観測装置50(以下、単に、装置50と称することがある。)の一例を示す。図7には、この装置50の一部切り欠き正面図が示される。図8には、図7に示された装置50を右側から見た、この装置50の一部切り欠き側面図が示される。
図8において、実線ELはこの装置50にセットされたタイヤ21の赤道面を表す。この装置50は、プリズム100と、走行装置506と、コリメート光源200と、カメラ300と、画像処理装置400とを備える。図7及び図8において、画像処理装置400は省略される。
透明板110は、この装置50の架台510に水平に設置される。タイヤ21は、透明板110の上面である転動面111を転動する。
走行装置506は、タイヤ21を支持する。この装置50では、レール516が転動面111に沿って敷設される。走行装置506は、レール516と平行に架台510に設置された送りネジ機構518によって、レール516上を走行させられる。
走行装置506は、転動面111を跨ぐ脚部520を有する。図示されないが、走行装置506は、送りネジ機構518の回転式ネジ棒522に螺合する固定ナットを備える。走行装置506は、回転式ネジ棒522の回転により、レール516に沿って走行する。
走行装置506は、転動面111に対向する上方の位置に、タイヤ21を回転、回転停止及び逆回転可能に支持するタイヤ支持部524を有する。
タイヤ支持部524は、転動中のタイヤ21に制動力を加えることが可能である。タイヤ21は正規リムに組み付けられ、内圧を調整される。内圧の調整後、タイヤ21はタイヤ支持部524に取り付けられる。
タイヤ支持部524は、上下に移動可能である。タイヤ支持部524の下方移動により、タイヤ21が転動面111に押し付けられ、タイヤ21に荷重がかけられる。タイヤ21に付与される荷重は、正規荷重の20%以上200%以下の範囲で設定される。走行装置506では、タイヤ支持部524は支持したタイヤ21のキャンバー角を設定することが可能である。タイヤ支持部524は、支持したタイヤ21のスリップ角を設定することも可能である。
以上説明した装置50を用いることで、車両20を走行させることなく、転動面111上を転動しているタイヤ21の、この転動面111における接地状態が観測される。
[効果]
以上のように、タイヤ接地状態観測装置10,50は、水膜が形成された転動面111上を転動するタイヤ21の接地状態を観測するために用いられる。タイヤ接地状態観測装置10,50は、プリズム100と、コリメート光源200と、カメラ300と、画像処理装置400とを備える。プリズム100は、転動面111と、光が入射する入射面121と、光が出射する出射面122とを有する。コリメート光源200は、入射面121に対して平行光を照射する。カメラ300は、出射面122から出射する光を受け、画像を出力する。画像処理装置400は、カメラ300によって出力される画像を処理する。画像処理装置400は、画像において、タイヤ21が転動面111に接触する第1領域31と、水が転動面111に接触する第2領域32と、空気が転動面111に接触する第3領域33とを判別する。
上記構成により、画像における第1領域31、第2領域32、及び第3領域33が判別されるため、タイヤ21の転動面111に対する接地状態を正確に観測することができる。
画像処理装置400は、カメラ300によって出力される画像に基づく濃淡画像における各画素の輝度値に基づいて、第1領域31、第2領域32、及び第3領域33を判別してもよい。
タイヤ21が接触する領域、水が接触する領域、及び空気が接触する領域のそれぞれにおいて、カメラ300の受光量が異なる。上記構成により、濃淡画像における輝度の分布に基づいて、第1領域31、第2領域32、及び第3領域33を判別することができる。
転動面111における光の入射角が41°以上62°以下に設定されてもよい。
上記構成により、転動面111における光の入射角が、光がプリズム100から空気へ向かうときの全反射角より大きく、且つ、光がプリズム100から水へ向かうときの全反射角より小さく設定される。したがって、転動面111にタイヤ21が接触している箇所、転動面111に水が接触している箇所、及び転動面111に空気が接触している箇所のそれぞれにおける光の反射状態を異ならせることができ、第1領域31、第2領域32、及び第3領域33を明確に判別することができる。
[補記]
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的ではない。本発明の権利範囲は、上述の実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及びその範囲内でのすべての変更が含まれる。
10,50 タイヤ接地状態観測装置
20 車両
21 タイヤ
30 路面
31 第1領域
32 第2領域
33 第3領域
100 プリズム
110 透明板
111 転動面
120 プリズム部
121 入射面
122 出射面
200 コリメート光源
300 カメラ
400 画像処理装置
401 入力部
402 画像変換部
403 判別部
404 出力部
410 プロセッサ
420 非一過性メモリ
430 一過性メモリ
440 入出力インタフェース
450 表示部
411 画像処理プログラム
506 走行装置
510 架台
516 レール
518 ネジ機構
520 脚部
522 回転式ネジ棒
524 タイヤ支持部

Claims (3)

  1. 水膜が形成された転動面上を転動するタイヤの接地状態を観測するためのタイヤ接地状態観測装置であって、
    前記転動面と、光が入射する入射面と、光が出射する出射面とを有するプリズムと、
    前記入射面に対して平行光を照射するコリメート光源と、
    前記出射面から出射する光を受け、画像を出力するカメラと、
    前記カメラによって出力される前記画像を処理する画像処理装置と、
    を備え、
    前記画像処理装置は、前記画像において、前記タイヤが前記転動面に接触する第1領域と、水が前記転動面に接触する第2領域と、空気が前記転動面に接触する第3領域とを判別する、
    タイヤ接地状態観測装置。
  2. 前記画像処理装置は、前記カメラによって出力される前記画像に基づく濃淡画像における各画素の輝度値に基づいて、前記第1領域、前記第2領域、及び前記第3領域を判別する、
    請求項1に記載のタイヤ接地状態観測装置。
  3. 前記転動面における光の入射角が41°以上62°以下に設定される、
    請求項1又は請求項2に記載のタイヤ接地状態観測装置。
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